61、原子核（1/1）

科学的逻辑61、原子核：准备有声小说在线收听

当玻尔基本了解了原子核外电子的运动规律后，开始将目光投向原子核这一新的领域。由于原子核的尺度只有原子尺度的十万分之一，玻尔猜测在这样的尺度上很可能会发现原子尺度不具备的革命性发现，就像原子尺度上存在宏观世界很难观测到的量子现象一样。后来关于原子核的历史表明，原子核中的确有一些新的规律，但是并没有出现玻尔期望中的理论物理学革命。

在理解原子核的早期，主要是通过核的放射性来探索这个未知领域。不稳定的原子核会释放三种射线，α射线是氦原子核，β射线是高速电子流，而γ射线是电磁波。通过α粒子散射等方法逐渐认识到原子核由质子、中子两种粒子组成，并实现了原子核之间的核反应。在β衰变中，电子的能谱是一个连续谱，似乎在这个过程中损失了能量，玻尔或许是从这一现象出发，认为在微观世界里能量不守恒，但是泡利与费米的中微子假说最终得到了实验证实，微观领域能量仍然是守恒的。原子核的衰变过程是一种指数衰减过程，这一实验事实说明原子核的衰变需要用概率来描述，当所有原子核有相同的衰变概率时，就会表现出指数衰减这样的规律，从而可以测量出某种原子核的半衰期。

在原子核的理论发展过程中，最令人着迷的是关于原子核的各种模型和核子间力的描述。原子核中不同质子之间存在很强的电磁排斥力，因此有一种更强的核力将它们聚集在一起。这种核力是与核子究竟是质子还是中子无关的，这一性质导致了同位旋对称性。核子间核力最初的理论是汤川的π介子理论，通过交换π介子实现这种短程的强相互作用，更加精细的实验表明，核力需要用组成核子的夸克间的强相互作用描述。原子核的模型也经历了液滴模型、壳层模型和集体模型的发展历程。玻尔为解释原子核的原子量与裂变性质提出了液滴模型，指出原子核就像不可压缩的液滴，存在体积能、表面能、库伦能、对称能和对能，通过数据拟合得到了描述原子核的半经验公式，并因此预测到，不仅铀可以作为裂变材料，钚也可以裂变，因此也可以作为核反应堆的燃料或制造核武器。核模型的计算表明，铁原子核是所有核中最稳定的，比铁轻的元素可以通过聚变释放能量，而比铁重的元素则可以通过裂变释放能量，铁核转化为其它原子核则只能通过吸收能量来实现。而原子核壳层模型由迈耶夫人和詹森提出，核子在所有核形成的平均场中运动，并在强烈的自旋轨道耦合的作用下产生一系列分立能级，核子按照泡利不相容原理的要求填充在这些壳层中。当核子数量满足一定条件时，原子核会特别稳定，被称为幻数，壳层模型解释了一系列实验数据和所有的幻数，迈耶夫人和詹森也因此获得了1963年的诺贝尔奖。阿格·玻尔、莫特森和雷恩沃特进一步指出，原子核除核子的独立运动外，本身还存在转动与振动，这些集体运动修正了壳层模型的不足，解释了更多实验数据，他们也因此获得了1975年的诺贝尔奖。

在原子核领域，最大的收获就是发现了两种全新的相互作用：强力与弱力。后来的理论与实验告诉我们，它们是满足规范不变性的比电磁场更复杂的新的规范场。我们在原子核的尺度上发现了这两种短程力，可惜并没有发现让我们振奋的突破量子理论的革命性发现。海森伯不确定原理告诉我们，提高粒子体系的能量和动量可以探索更加微小的尺度，在高能对撞机里，我们发现核子与许多介子是由夸克组成的，它们的性质都可以用标准模型描述，这样的图景不禁稍稍让我们有些失望。

原子核的核反应理论在另一个不同的尺度上，给我们提供了一套特殊体系的演化过程，那就是宇宙大爆炸初期的核合成过程及恒星内部的核聚变反应。将微观世界中的核反应过程应用到像宇宙和恒星这样的大尺度范围时，会让我们有意外的收获。由于不同的元素具有如同指纹的不同光谱，通过分析恒星光谱可以确定宇宙中各元素的相对丰度，这样我们就可以应用理论计算与观测值进行比较，从而检验理论图景是否合理。当大爆炸后大约3分钟时，质子与中子在原始宇宙中不再相互转化，比例也固定下来。随着宇宙的膨胀冷却，最终形成约75%的氢核与25%的氦核，而其它的氘核与锂核等原子量较高的元素所占的比例微乎其微。霍伊尔对恒星内部的核聚变反应过程进行了深入的分析，证明那些较重的元素像碳、氧、硅、铁以及更重的元素都是在恒星内部产生的，恒星演化到末期时，在超新星爆发的过程中将这些元素释放到空间中。这些核反应过程理论计算的元素相对丰度与实测值的一致性让我们相信这些过程是真实可靠的。实际上，在这些核反应基础上，我们可以建立完整的恒星演化模型，如今我们对恒星内部的理解程度甚至大大超出了我们对地球内部的理解程度。

原子核的发现者卢瑟福曾经说过，从原子嬗变中获取能量完全是一种妄想。然而没过多久，哈恩与斯特拉斯曼发现了核裂变，而且核裂变过程中释放的中子可能导致连锁反应，释放出巨大的能量，原子弹与核反应堆相继问世。为和平利用核能，许多国家建设了通过核裂变提供能量的核电站，法国的核电比例甚至达到了78%。各国如今也在积极发展基于超导托卡马克装置的核聚变电站，这一领域的诱人前景让我们充满了期待。原子核理论尽管没有突破现有的框架，但在理论发展过程中产生的实际应用，则让我们异常欣喜，相信核能的应用在未来一定会有一个光明的前景，并为我们的社会发展提供源源不断的动力。